A new methodology for energy-based seismic design of steel moment frames

A procedure is proposed whereby input and hysteretic energy spectra developed for single-degree-of-freedom （SDOF） systems are applied to multi-degree-of-freedom （MDOF） steel moment resisting frames. The proposed procedure is verified using four frames, viz., frame with three-, five-, seven- and nine-stories, each of which is subjected to the fault- normal and fault-parallel components of three actual earthquakes. A very good estimate for the three- and five-story frames, and a reasonably acceptable estimate for the seven-, and nine-story frames, have been obtained. A method for distributing the hysteretic energy over the frame height is also proposed. This distribution scheme allows for the determination of the energy demand component of a proposed energy-based seismic design （EBSD） procedure for each story. To address the capacity component of EBSD, a story-wise optimization design procedure is developed by utilizing the energy dissipating capacity from plastic hinge formation/rotation for these moment frames. The proposed EBSD procedure is demonstrated in the design of a three-story one-bay steel moment frame.

基于能量平衡的既有建筑结构抗震加固性能化设计方法研究

由于规范标准对结构抗震设计要求的不断提高以及结构在长期服役过程中性能的逐渐劣化,既有建筑结构的抗震性能不再满足设计要求,开展其抗震加固设计研究势在必行。然而,目前的加固设计方法往往需要大量的非线性动力计算反复迭代,增加了设计的难度,降低了其适用性。基于能量平衡概念,提出适用于增设消能减震装置的既有建筑结构抗震加固性能化设计方法。该方法考虑了多地震水准性能目标,设计过程中无需开展非线性动力计算,且迭代次数少。采用所提方法对Benchmark钢框架结构进行加固设计,通过非线性动力分析评估了加固前和加固后结构的抗震性能。研究结果表明:加固后,所有楼层的位移角均明显降低,小震、中震和大震时的平均降幅约为20%,可见加固后结构抗震性能得到了显著改善;加固结构在小震、中震和大震下的层间位移角均与设计值吻合,实现了预期的层间位移角和屋顶位移角目标,验证了所提方法的有效性;所提方法设计的阻尼器在小震时整体保持弹性状态,在中震和大震时进入屈服耗能状态,实现了预期的耗能机制,且阻尼器延性需求沿楼层的分布较为均匀,进一步表明了设计方法的合理性。研究成果可为既有建筑结构的抗震性能加固设计提供参考。

组合减震技术在加固改造项目中的应用

以新冠肺炎疫情期间的应急项目加固改造为例,主要探究组合减震技术在加固改造项目中的应用。鉴于既有结构抗震性能以及防震缝宽度不足、结构整体扭转和局部抗震承载力不足的问题,兼顾加固工程量、最大限度减轻对原有建筑影响以及加固成本,最终采用组合减震技术(VFW+BRB)对原有框架进行加固设计。根据项目实际情况,按照不同的部位和重要程度制定了性能目标和设计。计算结果表明,采用组合减震技术加固后的结构在遭遇地震作用时,可以显著减少顶点位移和水平加速度,降低地震响应,提高结构抗震冗余度。

基于“OBE”人才培养模式下《结构抗震设计》课程教学改革

在工程教育专业认证背景下,以“OBE”教育理念为导向的教学改革成为各高校提高工程教育人才质量的新途径。以土木工程专业《结构抗震设计》课程为例,针对教学实践中的新问题,以OBE教育理念为导向,从教学内容、教学模式及教学方法三方面进行教学改革的探讨。进行教学内容模块化设计,利用线上教学平台,探求线上线下多元融合的混合教学模式,建立以实践教学为导向的案例教学素材库,发展“案例教学+项目驱动”多元融合教学方法。通过教学成效及多维度综合成绩评定实现全过程考核。结果表明:线上+线下教学模式、“案例教学+项目驱动”多元教学方法能够增强学生自主学习的内驱力,提高学生的学习成绩,有助于培养学生创新思维能力和解决复杂工程问题的能力。

基于预选屈服机制的钢框架中心支撑结构抗震性能化设计

以1栋9层钢框架中心支撑结构为背景,采用YJK软件建立有限元模型并进行了弹塑性分析,对塑性铰分布、可能出现的塑性耗能区和拟设定的塑性耗能区进行对比研究。结果表明:塑性铰的开展机制和预设吻合较好。设计时构件的实际性能系数满足最小性能系数,能够满足塑性耗能区应具有的延性。钢框架中心支撑结构体系整体在高烈度区滞回曲线不饱满,底层支撑破坏后,刚度退化较大,导致底层柱的损伤累计效应较大,破坏较严重。

远场地震作用下累积延性比谱的建立

现行的建筑抗震设计规范采用基于强度的弹性设计方法,用非直接方式考虑结构强震下的弹塑性能。而基于能量的性态设计方法既兼顾力和位移两个因素,又能有效地考虑强震持时对结构造成的累积损伤。为研究结构的累积滞回耗能需求与结构单调推覆耗能之间的关系,引入累积延性比谱。通过分析地震波幅值、结构周期、阻尼比等因素对累积延性比谱的影响规律,建立了符合中国场地分类的累积延性比谱。结果显示:累积延性比谱与地震波幅值无关,与结构周期关系不大,可以忽略;当阻尼比和延性系数分别增大时,累积延性比呈增大趋势。另外,结构后期刚度、场地类别、设计地震分组对累积延性比谱均有不同程度的影响。

自复位消能摇摆模块复合钢框架协同抗侧机理与抗震加固设计方法

该文采用自复位消能摇摆模块对既有抗弯钢框架进行加固,以减小其震后残余位移、提升其地震抗倒塌性能、避免其因层间变形集中而发生薄弱层倒塌破坏。基于分布参数连续体模型,揭示了自复位消能摇摆模块与钢框架结构的协同抗侧机理,分析了自复位消能摇摆模块抗弯刚度及抗侧刚度对结构层间变形模式、摇摆模块和钢框架内力需求的影响。提出了利用自复位消能摇摆模块加固既有抗弯钢框架基于位移的抗震设计方法,给出了具体设计流程。基于提出的设计方法对某三层抗弯钢框架进行加固设计。静力推覆分析和动力分析结果表明,自复位消能摇摆模块可有效减小既有抗弯钢框架结构的震后残余变形、使结构获得均匀的层间变形模式。加固后的结构在设计地震下可达到预期设计目标。

减震技术在优秀近代建筑更新中的应用研究

近代优秀建筑出于保护的要求,结构加固方法受到诸多制约,随着时间流逝,材料强度等也逐渐劣化,随着科技水平的不断发展,结构构造要求也不断提高,因此此类建筑往往不能满足现有的抗震设防要求。结合某优秀历史建筑修缮加固项目,介绍了采用壁式黏弹性阻尼器加固的设计方法,极大地减少了对主体结构的干预;基于底部剪力法提出了对阻尼器参数进行优化的简化方法,根据不同地震水准下结构变形控制目标,可较为便捷地确定阻尼器型号,并通过时程分析法对结构的抗震性能进行了验证。分析结果表明:壁式黏弹性阻尼器有效提高了主体结构的刚度和附加阻尼,提高了结构的整体抗震性能。该方法布置灵活,对建筑本体干预小、过程可逆,可作为近代建筑抗震加固的有效方式之一。

基于设防目标的7度区某教学楼抗震设计对比分析

7度区某新建学校教学楼位于地震重点监视防御区。根据国务院第744号文《建设工程抗震管理条例》[1]的要求,应当采用隔震减震等技术,保证发生本地区设防地震时能够满足正常使用要求。为实现抗震目标,项目分别应用了采用黏滞消能器减震技术的设计方法和提高抗震性能目标的设计方法,均能实现设防地震时的正常使用。两种设计方法综合造价差异不大,但采用提高抗震性能目标的设计方法,其经济性稍优。通过两种抗震设计方法的对比分析,为类似项目的设计提供了参考。

深圳某医院急诊综合楼消能减震结构设计

深圳某医院急诊综合楼为地上23层、高98m的框架-剪力墙结构,存在平面凹凸不规则和尺寸突变等不规则项;为减轻地震响应、实现设防地震发生时能够正常使用的目标,采用墙式黏滞阻尼器进行消能减震设计,结合建筑使用功能及结构响应特点于第5至23层共布置230套阻尼器。本文对结构布置及减震方案进行了介绍;利用非线性时程分析确定减震装置提供的附加阻尼比;通过小震、中震和大震三个阶段的分析,对设置阻尼器前后的结构指标和各类构件性能进行了量化比较。结果表明设置阻尼器后,结构的地震反应明显降低,框架柱和剪力墙的性能有所提高,证明减震方案达到了预期效果;性能化分析结果表明结构能够实现C+级性能目标。

考虑低周疲劳寿命的改进Park-Ang地震损伤模型

随着基于性态抗震设计理论的发展 ,Park Ang双参数地震损伤模型在建立性态目标量化准则方面受到重视。本文的研究目的是结合钢筋混凝土构件低周疲劳试验结果 ,对该模型作进一步发展和完善。基于低周反复荷载作用下钢筋混凝土构件疲劳寿命方程 ,结合国内外发表的试验结果分析了构件极限滞回耗能与位移延性系数的关系 ,近似为指数衰减关系。通过引入另外的与加载路径有关的能量项加权因子 βi,由定义的临界延性系数 μ0 和能量等效系数YE 计算 ,提出了Park Ang双参数地震损伤模型新的改进形式。改进的地震损伤模型规格化最大位移与规格化滞回耗能是非线性组合 ,可以近似考虑加载路径对损伤影响。试验和数值分析表明改进损伤模型可以有效地降低组合参数 β不确定性对损伤指数计算结果的影响 ,而新引入参数的不确定性对其计算结果几乎没有影响。分析了滞回耗能在构件地震累积损伤中所占的比重及其与加载路径的关系。建议了改进Park Ang双参数地震损伤模型可修复破坏和倒塌破坏损伤指数临界值可分别取为 0 4和 0 8。

基于台湾集集地震的结构滞回耗能影响分析

基于能量概念进行结构的地震反应分析能更清楚地揭示结构在地震动下的破坏机制,而滞回耗能被认为是最具工程意义的能量指标,是衡量结构塑性累积损伤的重要参数.利用具有极高研究价值的1999年集集地震记录到的大量地震动研究了抗震结构滞回耗能的特性,讨论了结构自振周期、阻尼比、场地条件、结构的恢复力模型等因素对抗震结构滞回耗能的影响规律,结果表明:场地条件、抗震结构的延性水平、周期、阻尼均是影响抗震结构滞回耗能的重要因素,而结构恢复力模型对滞回耗能的影响则可以忽略.

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(I):拟静力试验

通过拟静力试验研究了基于位移设计钢筋混凝土桥墩的抗震性能。利用基于位移抗震设计方法和桥梁抗震规范方法设计了各2根和1根1:2.5比例钢筋混凝土桥墩试件,对低周反复荷载作用下试件试验破坏形态、承载力、位移延性、滞回耗能、刚度退化等方面进行了比较分析,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求,并且在相对耗能能力(与理想弹塑性模型相比)、刚度退化性能方面与现行规范抗震设计方法设计的桥墩相当。试验表明建议的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法是实际可行的。

基于RC桥梁墩柱的地震损伤模型比较分析

随着基于性能抗震设计理论的发展,地震损伤指标在建立性能目标量化准则和加固决策方面受到重视。地震损伤模型的建立以及验证大多是以建筑结构为基础,鲜有以桥梁结构,更少针对桥梁结构对各种典型滞回模型进行比较总结。本文以钢筋混凝土桥墩为研究对象,对8个典型的地震损伤模型进行了对比分析研究。研究表明,不同损伤模型确定的损伤指数差异较大,损伤指数发展趋势与实际试验中破坏程度不能很好对应;Park&Ang模型与试验符合较好;刘伯权模型考虑了低周疲劳效应概念简单、应用方便。

考虑场地类别的阻尼比修正系数研究

阻尼比修正系数B用于调整临界阻尼比不同于0.05时的反应谱值,它对减震结构、隔振结构以及弹塑性体系的简化设计与分析具有重要意义。本文按照我国现行抗震规范规定的场地分类方法,分别应用四类场地共计136条地震记录,对阻尼比为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的弹性单自由度结构体系的相对位移反应谱、相对速度反应谱、绝对加速度反应谱进行计算分析,从定性到定量系统研究了地震作用下场地分类、阻尼比以及结构周期对相对位移反应谱阻尼比修正系数Bd、相对速度反应谱阻尼比修正系数Bv和绝对加速度反应谱阻尼比修正系数Ba的影响规律,结果表明:随着阻尼比的增大,场地分类对阻尼比修正系数的影响程度逐渐增大,其中场地条件对Ba的影响更加显著,然而数据分析表明,场地条件对阻尼比修正系数最小值的影响很小。在IV场地上,阻尼对长周期结构的减震效果明显优于其它三类场地。最后通过非线性回归分析,建立了与场地类别、结构周期以及阻尼比相关的阻尼比修正系数Ba、Bd、Bv的计算公式。这部分的结果可以应用于减震结构基于性能的抗震设计方法中。

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(Ⅱ)：振动台试验

通过模型振动台试验研究了基于位移设计的钢筋混凝土桥墩的抗震性能。以完成的拟静力试验中的桥墩试件为参考原型,利用基于位移抗震设计方法和现行桥梁抗震规范方法设计了4根1:2的钢筋混凝土桥墩试件并进行了模型振动台试验。对小震、中震和大震作用下桥墩试件的破坏形态、加速度和位移反应、位移延性系数和地震总输入能(耗能)等方面进行了比较分析。综合拟静力试验和振动台试验结果,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求。

基于改进Park-Ang模型的RC桥墩地震动损伤及滞回耗能特性研究

桥梁结构尤其是桥墩在强震作用下的地震动损伤、滞回耗能及其分布,是基于性能抗震设计的重要基础。本文引入改进的Park-Ang双参数损伤评估模型,以某靠近活动断层的高速公路RC梁式桥等效单墩模型为对象,深入分析了加速度峰值(PGA)、频谱、持时等三个地震动要素对损伤、滞回耗能及其分布的影响规律。研究表明,损伤及累积滞回耗能沿桥墩竖向自下而上显著减小,随着PGA的增大,墩底及附近截面的损伤指标明显增大,损伤高度不断扩大,损伤参与系数分布基本稳定,墩底损伤一般占桥墩总损伤的30%～40%。累积滞回耗能所致损伤可达总损伤的20%～80%,不容忽略。地震动频谱特性影响显著,当地震波卓越周期与结构自振周期接近时,会导致各项指标的显著增加。持时对损伤分布比例没有明显影响,但强震持时对于截面损伤值存在累加效应。

结构分灾抗震设计:概念和应用

详细论述了结构分灾抗震设计的产生背景、设计思想、优化模型和基本原则,指出结构分灾设计是在分析基于投资—效益准则的结构抗震设计模型的基础上,对工程实践中一些成功经验的提炼和概括而形成的设计方法,工程领域中一些现行设计方法和措施就是分灾设计的具体应用。当工程师们待处理的问题必须考虑高度不确定性因素时,将分灾设计作为一种可能选用的设计理念,将有助于工程师们实现设计创新。分灾设计符合基于性能的抗震设计思想,可以方便地实现基于性能的设计。

钢筋混凝土框架刚塑性抗震设计方法研究

在罕遇地震作用下,钢筋混凝土框架结构通常要经历相当大的塑性变形,地震输入的动能绝大部分转化为塑性变形能而被耗散,仅有很少部分转化为弹性变形能,基于这种能量转化机制,采用刚塑性模型来预测地震反应。同时建议在结构设计时于适当位置预设塑性铰,使结构在强烈地震作用下的能量耗散集中在塑性铰处,并保证结构整体性,从而达到结构大震不倒的设防水准。以塑性理论为基础,发展了一种适用于钢筋混凝土框架结构刚塑性抗震设计方法。文中最后以5层钢筋混凝土框架为例给出了分析结果,并与弹塑性时程分析进行了对比,两者的一致性是相当满意的。由此表明,刚塑性抗震设计方法概念清晰,计算简单,具有可靠精度,可以满足罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构抗震设计要求。

重要建筑的抗震性能设计——实例分析

重要建筑物由于特殊的形体要求,结构布置常常不规则且抗震设防标准高。按常规方法进行设计遇到很大困难。通过两个途径改善了建筑物的抗震性能:一是针对结构平面布置的不规则,调整局部构件的截面抗弯刚度,实现结构整体刚度内在的规则分布;二是采用被动耗能减震技术,通过设置油阻尼器,为结构提供附加阻尼。分析结果表明,通过以上两个途径,可以显著增强结构抗震性能,减小构件截面尺寸,提高性价比。